现代地质 GEOSCIENCE 第 24 卷第 1 期 2010 年 2 月 Vol 24 No 1 Feb 2010 山西原平王家庄条带状磁铁石英岩矿床元素地球化学特征及其地质意义 张岩 1, 顾雪祥 1, 李有核 2, 董树义 1,3 1, 程文斌 (1 中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室, 北京 100083;2 山西省地质矿产勘查开发局 214 地质队, 山西运城 044000;3 成都理工大学地球科学学院, 四川成都 610059) 摘要 : 山西原平王家庄铁矿床为五台山地区产出的条带状铁建造 (BIF) 的典型代表 含矿岩石为磁铁石英岩, 围岩主要为斜长角闪岩 石英片岩等 通过对变质岩的原岩恢复, 得出其原岩主要为火山岩, 具有从拉斑玄武岩向钙碱性火山岩演化的特点, 局部有陆源碎屑的加入 微量元素中相对亏损 Ta Nb Zr Ti 等高场强元素, 相对富集 K Rb 等大离子亲石元素, 具有较低的 w(y)/w(nb) 比值, 表明本区处于岛弧和活动大陆边缘带的构造环境 磁铁石英岩的稀土元素配分型式为向右缓倾斜的轻稀土富集型, 具轻微铕正异常和轻微铈负异常, 稀土元素特征表明 BIF 形成于典型的海洋环境, 早太古代洋壳俯冲产出的高温气水热液对于 BIF 的沉积发挥了重要的作用 Eu 轻微正异常说明本区火山活动较弱, 海底高温热液对 BIF 的沉积贡献相对较少 BIF 与其围岩在原始地幔标准化不相容元素蛛网图中的相关性说明二者有相同或相似的物质来源和成岩环境, 二者同属一个沉积盆地, 但却有不同的沉积过程和形成条件 关键词 : 条带状铁建造 ; 王家庄铁矿 ; 微量元素 ; 稀土元素 ; 变质火山岩 ; 山西中图分类号 :P611 3 文献标志码 :A 文章编号 :1000-8527(2010)01-0069-11 ElementGeochemicalCharacteristicsoftheWangjiazhuangBanded Magnetite quartzitedepositinyuanpingcity,shanxiprovince, anditsgeologicalsignificance ZHANGYan 1,GUXue xiang 1,LIYou he 2,DONGShu yi 1,3,CHENGWen bin 1 (1 StateKeyLaboratoryofGeologicalProcesesandMineralResources,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing 100083,China; 2 No 214GeologicalTeam,ShanxiBureauofGeo Exploration,Yuncheng,Shanxi 044000,China; 3 ColegeofEarthSciences,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu,Sichuan 610059,China) Abstract:TheWangjiazhuangirondepositinShanxiProvinceisatypicalcaseofbandedironformationinthe Wutaishanarea.Theore bearingrockismagnetite quartzite,withwalrocksmainlybeingamphibolite,amphi bole metadoleriteandquartzschist.throughtherestorationofthemetamorphicrocks,weconcludethatthepro tolithareprincipalyvolcanicrocks.thevolcanicrocksintheareaevolvedfromthetholeiteseriestothecalc alkalineseries,alongwithsometerestrialclastics.thenegativeanomaliesofhfse,highcontentsoflileand alowratioofy/nbshowthatthisareawasinanisland arcandactivecontinentalmargintectonicseting.ree paternsofthemagnetite quartzitedemonstratearightinclinedcurvewithslightlylreeenrichment.eushows aslightlypositiveanomalyandceshowsaslightlynegativeanomaly.thisreecharacteristicsshowthatbif wasformedinatypicalmarineenvironment.itispredictedthathigh temperaturehydrothermalfluidscreated duringoceaniccrustsubductionintheneoarcheanplayedaconsiderableroleintheformationofbif.the slightlyeupositiveanomalysuggeststhatthevolcanicactivityoftheareawasweak,sohigh temperaturehydro 收稿日期 :2009 05 06; 改回日期 :2009 12 18; 责任编辑 : 楼亚儿 基金项目 : 国家自然科学基金项目 (40772060); 长江学者和创新团队发展计划 教育部高等学校学科创新引智计划项目 (B07011); 中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室基金项目 (GPMR0531) 作者简介 : 张岩, 男, 硕士研究生,1985 年出生, 矿产普查与勘探专业, 主要从事固体矿产资源勘查 矿床地球化学的研究 Email:da--lang@sohu com
70 现代地质 2010 年 thermalfluidsinthebotomoftheoceanplayedaminorrole.thecorelatabilitybetweenbifanditswalrocks intheprimitivemantle normalizedincompatibleelementspiderdiagramssuggeststhattheyhavethesameor similarmaterialsourceanddiageneticenvironment,aswelasbelongingtoasamedepositionalbasin,butwith diferentdepositionprocesesandconditions,respectively. Keywords:bandedironformation;Wangjiazhuangirondeposit;traceelement;rareearthelement;metavolca nite;shanxi 0 引言 山西王家庄铁矿床是华北地台中部五台山碰 [1-4] 撞造山带内产出的为数众多的条带状铁建造的典型代表, 具有重要的科学研究价值 自上世纪 80 年代以来, 国内学者对五台山地区的研究从未间断过, 并且在区域地壳演化 变质作用过程和特征 地层年代和构造期次的划分 同位素年龄 成矿作用等方面取得了大量重要的成果 [1-18] 然而, 前人对五台山地区广泛产出的条带状铁建造的元素地球化学方面所做的研究相对较少 本文试图通过研究铁建造及围岩的主量 稀土和微量元素地球化学特征, 恢复变质岩的原岩, 阐明成岩成矿的构造环境, 结合前人关于同位素的研究成果推断成矿物质来源 1 地质概况 山西王家庄铁矿床位于华北地台中部五台山碰撞造山带的五台山断拱西端 ( 图 1), 隶属于五台 太行成矿区 矿区出露的地层自下而上为上太古界五台群石咀亚群, 古生界寒武系 奥陶系, 新生界第三系 第四系地层, 其中石咀亚群自下而上分别为金岗库组 庄旺组 文溪组和柏枝岩组地层, 矿区仅出露石咀亚群下部的金岗库组和庄旺组地层 矿床产于金岗库组地层单元中, 其空间展布严格受金岗库组地层层位控制 金岗库组岩性主要为角闪质岩石夹多层磁铁石英岩, 在该组下部及中 上部均夹有多层磁铁石英岩 该组地层构成工作区内的主要地层, 其间的磁铁石英岩是本次研究的主要对象 该铁矿区附近的断裂构造以后期脆性断裂为主, 分为北东和北西向两组 ( 图 2), 均为正断层, 其中北西向断裂对铁矿体起破坏作用 该区岩浆活动也较为强烈, 但是由于形成时间较早, 均遭受了不同程度的变质作用, 主要有晋宁期辉绿岩脉和五台期变基性岩 二长花岗片麻岩 奥长花岗岩等, 但与沉积 变质型铁矿成 图 1 五台山 恒山花岗岩 绿岩地体的区域构造位置图 ( 据韩仁道 [8],2003 修改 ) Fig 1 Regional tectoniclocation map ofthewutaishan Hengshangranite greenstoneblock (modifiedfromhan [8],2003) 1 第四系沉积物 ;2 显生宙沉积盖层 ;3 太古宙钾质花岗岩 ; 4 太古宙 TTG 片麻岩 ;5 花岗绿岩体 ;6 变质沉积岩 ;7 基底高级变质杂岩 ;8 研究区域因关系不大 区内火山作用与铁矿关系密切, 主要矿体都与火山岩系相伴生, 火山岩系厚度大, 铁矿厚度也相应加大 矿区与西部相邻的神岩壑铁矿区同在一条成矿带 目前在本区共发现 3 条铁矿化带 ( 图 3), 其中 I 号矿化带规模最大, 与之对应的磁异常规模大且异常值高 含矿岩石为磁铁石英岩, 通过野外和镜下观察, 主要矿石矿物为氧化物相磁铁矿, 部分发生褐铁矿化, 偶见黄铁矿 脉石矿物以石英占绝对优势, 次为阳起石 透闪石 镁铁闪石 黑云母 斜长石等 矿石结构主要有变余熔蚀结构 筛状结构 残缕结构等, 矿石构造主要有条带状构造 细脉状构造 皱纹构造 片状构造等 筛状结构主要表现为石英呈变嵌晶形式包裹于石榴子石中, 磁铁矿呈变嵌晶形式包裹于石英颗粒中 残缕结构
第 １期 张 岩等 山西原平王家庄条带状磁铁石英岩矿床元素地球化学特征及其地质意义 ７１ 图 ２ 王家庄铁矿床一带区域地质图 据山西省地质矿产勘查开发局 ２１４地质队资料修改 Ｆ ２ Ｒｅ ｌ ｅ ｌ ｃ ｌｍ ｐ ｆｔ ｈ ｅｗ ｊ ｚ ｈ ｕ ｒ ｄ ｅ ｐ ｓ ｔ Ｑ 第四系粉砂土 亚粘土 Ｎ 上第三系深红色砂质粘土含锰质和钙质结核 Ｏ 奥陶系灰岩 页岩 泥质灰岩 寒武系白云质 五台群庄旺组黑云变粒岩 二云石英片岩夹斜长角闪岩及 Ｗ１ｊ 五台群金岗库组斜长角闪岩 黑云 灰岩 白云岩 Ｗ１ｚ 角闪片岩 黑云夹磁铁石英岩 ＡＦ 阜平群黑云钾长片麻岩夹斜长角闪岩 Ｈ 花岗片麻岩 Ｙ 二长花岗片麻岩 Ｎ３ μ２ 辉绿岩 γ２ １ 变基性岩 β １ 奥长花岗岩 图 ３ 王家庄铁矿区地质简图 据山西省地质矿产勘查开发局 ２１４地质队资料修改 Ｆ ３ Ｇｅ ｌ ｃ ｌｓ ｋ ｅ ｔ ｃ ｈｍ ｐ ｆｔ ｈ ｅｗ ｊ ｚ ｈ ｕ ｒ ｄ ｅ ｐ ｓ ｔ Ｑ 第四系砂 粘土及砾石层 Ｂ ｔ 黑云变粒岩 Ｈ ｔ Ｐｌ Ｈｂ 斜长角闪岩 Ｑｐ ｔ 浅粒岩 γ 奥长花岗岩 Ｙ 二长 花岗片麻岩 Ｈ 花岗片麻岩 Ⅰ Ⅱ Ⅲ 铁矿化带编号
72 现代地质 2010 年 主要表现为黑云母 斜长石定向排列于角闪石中 条带状构造为 BIF 的特征构造, 主要表现为磁铁矿集合体与脉石矿物呈定向排列的条带相间产出, 磁铁矿条带宽度为 0 2~2mm, 延长不大, 条带内矿物颗粒多呈定向排列, 偶有弯曲现象, 为鞍山式铁矿的特征构造 细脉状构造主要为褐铁矿呈细脉分布于磁铁矿的裂隙和颗粒边界处, 为表生氧化期产物, 脉宽 1mm 左右 揉皱状构造为原生的条带状构造在后期的变质作用过程中发生褶皱作用而形成 岩, 主要矿物有普通角闪石 石英 斜长石 黑云母 石榴子石和磁铁矿 ;(4) 具片状构造的黑云母石英片岩, 主要由石英和黑云母组成, 另含少量石榴子石和斜长石, 石英含量 60% ~70%, 黑云母含量 15% 左右 常量元素分析采用核工业北京地质分析测试研究中心的飞利浦 PW2404X 射线荧光光谱仪, 测试方法和依据为 GB/T14506 28-93 硅酸盐岩石化学分析方法和 X 射线荧光光谱法 微量元素分析采用核工业北京地质分析测试研究中心 Finnigan 围岩主要类型有斜长角闪岩 MAT 制造的 HR-ICP-MS 测定, 测试方法和依据 黑云变粒岩 云母石英片岩等, 矿物成分主要为 为 DZ/T0223-2001 电感耦合等离子体质谱 (ICP- 普通角闪石 斜长石 石英 黑云母 阳起石 MS) 方法通则 测试结果列于表 1 表 4 透闪石 绿泥石 石榴子石和少量的磁铁矿 值 2 2 结果 得注意的是, 石榴子石是各类围岩的主要特征矿 本区磁铁石英岩的 Fe 2 O 3 FeO SiO 2 三者含 物, 含量在 5% 左右, 粒度变化较大, 为角闪岩相 量达 90% ~94%, 其中 SiO 2 含量与全铁含量呈反 的特征变质矿物 镜下观察表明, 石榴子石遭受了 消长关系, 当 SiO 2 含量升高时, 全铁含量就降低 较强的蚀变作用, 其蚀变孔洞和裂隙中常被石英 TFe 含量在 35% ~43% 之间 这一特征基本与白 磁铁矿及角闪石等矿物充填, 构成筛状变晶结构 瑾等得出的五台群铁建造以及世界范围内前寒武 矿体赋存围岩蚀变强烈, 主要为绿泥石化, 系铁建造的特征相一致 [5-6] TiO 2 含量变化于 表现为角闪石 石榴子石和黑云母等暗色矿物蚀 0 05% ~0 10% 之间, 镜下未观察到含钛矿物, 变为绿泥石, 有时可见原矿物假象 表明条带状铁矿石中 TiO 2 绝大部分以类质同象形 式存在于磁铁矿 Al 2 O 3 含量较低, 变化于 1 60% 2 分析方法与结果 ~2 93%, 主要存在于阳起石 镁铁闪石 石榴石 2 1 样品的采集与分析方法 和黑云母等硅酸盐矿物中 大部分铁矿石 Na 2 O 含 本研究所有样品均采自王家庄铁矿床 Ⅰ 号矿 量小于 0 02%,K 2 O 含量在 0 10% ~0 22% 之间 化带第 8 勘探线上 ( 图 4) 用于分析的样品大致分 从本区条带状铁矿石的主要化学成分来看, 为以下 4 种 :(1) 新鲜的 基本未蚀变的 具条带 它与鞍山 迁滦 吕梁等地区的太古宙条带状铁 状构造的磁铁石英岩矿石, 主要矿物为磁铁矿和 矿的化学成分特点基本一致 和内生铁矿石相比, 石英 ;(2) 细粒变晶结构 与变粒岩和片岩呈互层 条带状铁矿石的 Fe 2 O 3 +FeO+SiO 2 含量高, 而 MgO 产出的斜长角闪岩, 主要矿物有普通角闪石 斜 [19] 和 CaO 含量低 和陆源沉积铁矿石的化学成分 长石 石英和少量磁铁矿, 蚀变和交代现象明显 ; 相比, 条带状铁矿石的 Fe 2 O 3 +FeO+SiO 2 含量较 (3) 具鳞片变晶结构和纤状变晶结构的角闪变粒 高, 而 Al 2 O 3 含量则较低 图 4 Ⅰ 号矿化带第 8 勘探线采样剖面图 ( 据山西省地质矿产勘查开发局 214 地质队资料修改 ) Fig 4 SamplingprofileoftheeighthexplorationlineofNo Imineralizedzone
第 1 期张岩等 : 山西原平王家庄条带状磁铁石英岩矿床元素地球化学特征及其地质意义 73 表 1 王家庄铁矿床磁铁石英岩主量元素成分 (w B /%) Table1 Majorelementcompositionofthemagnetite quartziteinthewangjiazhuangirondeposit(%) 岩石名称样号 Na 2 O MgO Al 2 O 3 SiO 2 P 2 O 5 K 2 O CaO TiO 2 MnO Fe 2 O 3 FeO 烧失量总量 TFe 磁铁石英岩 YK4-4 <0 02 2 42 2 17 50 65 0 44 0 11 1 19 0 047 0 19 25 10 16 07 <0 10 98 37 43 66 YK4-5 <0 02 1 98 2 93 57 93 0 74 0 22 1 66 0 076 0 11 19 50 13 44 <0 10 98 63 34 94 YK4-6 <0 02 2 02 2 44 55 48 0 39 0 13 1 60 0 078 0 13 21 90 14 33 <0 10 98 51 38 44 YK4-8 <0 02 2 00 2 31 50 47 0 39 0 12 2 25 0 10 0 21 24 70 15 78 <0 10 98 36 42 99 YK4-9 <0 02 2 06 1 60 59 18 0 20 0 10 0 84 0 059 0 22 20 80 13 44 <0 10 98 46 36 28 YK4-10 0 14 2 69 2 86 51 13 0 43 0 13 1 92 0 087 0 14 22 70 16 10 <0 10 98 21 41 09 注 : 样品由核工业北京地质分析测试研究中心采用 X 射线荧光光谱法分析,2007 表 2 王家庄铁矿床金岗库组变质岩主量元素成分及尼格里参数 (w B /%) Table2 MajorelementcompositionsandNegriparametersofthemetamorphicrocksofJingangkuFormationinthe Wangjiazhuangirondeposit(%) 岩石名称 样号 Na 2 O MgO Al 2 O 3 SiO 2 P 2 O 5 K 2 O CaO TiO 2 MnO Fe 2 O 3 FeO 含石榴石斜长角闪岩 YK4-1 2 89 2 99 18 39 49 46 0 34 1 02 10 5 0 79 0 19 3 87 7 10 YK4-13 3 20 4 05 17 22 52 76 0 28 0 69 8 10 0 79 0 18 4 04 6 78 黑云 YK4-2 3 99 3 46 16 75 58 32 0 15 1 84 4 39 0 45 0 14 3 11 4 59 YK4-12 3 30 1 04 12 85 65 10 0 08 0 66 3 44 0 26 0 21 5 04 6 50 云母石英片岩 YK4-3 2 47 1 80 14 57 66 29 0 08 1 89 2 62 0 27 0 08 5 42 1 98 YK4-14 5 49 0 71 17 31 66 96 0 13 2 52 2 66 0 34 0 03 1 06 1 87 斜长角闪岩 kyq-82 2 28 8 53 13 39 49 09 0 18 0 60 9 54 0 95 0 18 4 41 8 07 kyq-83 2 44 8 76 13 54 49 09 0 08 0 60 10 90 0 70 0 13 2 78 8 82 wb326 4 40 4 77 16 35 57 72 0 90 1 30 4 62 0 90 0 16 2 02 4 84 wb327 3 20 3 87 17 90 58 74 0 58 2 40 2 50 0 58 0 08 1 75 4 34 岩石名称 样号 烧失量 总量 al fm c alk (al+fm)-(c+alk) Si 含石榴石斜长角闪岩 YK4-1 0 84 98 37 27 62 27 08 28 77 9 00 17 126 77 YK4-13 0 60 98 69 27 20 31 96 23 24 9 52 26 141 89 黑云 YK4-2 1 48 98 67 31 76 29 34 15 25 16 12 30 187 45 YK4-12 <0 10 98 48 29 37 27 74 14 22 13 99 29 252 68 云母石英片岩 YK4-3 1 72 99 19 36 49 18 95 11 78 15 36 28 282 71 YK4-14 0 34 99 43 43 52 11 04 12 32 29 53 13 286 52 斜长角闪岩 kyq-82 1 73 98 95 18 16 44 75 23 48 6 01 33 112 71 kyq-83 1 39 99 25 17 76 45 44 26 01 6 10 31 109 38 wb326 0 74 98 72 29 86 34 42 15 26 15 81 33 178 79 wb327 2 46 98 40 36 91 32 81 9 46 16 19 44 205 68 注 : 样品由核工业北京地质分析测试研究中心采用 X 射线荧光光谱法分析,2007; 后 4 组数据引自文献 [7], 属于五台群金岗库 组,al fm c alk 和 Si 值均为尼格里参数 磁铁石英岩与围岩相比, 化学成分要纯净得 10-6,w(LREE)/w(HREE) 在 2 36~3 06 之间, 多, 铁和硅的氧化物占 90% 以上,Ca Mg Al (La/Yb) N 在 2 07~2 84 之间, 为向右缓倾斜的 K Na 含量很低 其实, 整个前寒武纪都有类似轻稀土富集型 δeu 在 1 10~1 37 之间, 具轻的特征, 与围岩相比, 条带状铁矿石明显经过了微铕正异常 除 YK4-4 样品显示弱铈正异常 净化 [5], 以上主量元素特征表明本区条带状 (δce=1 28) 外, 其他样品均表现为轻微铈负异铁矿石是由极少碎屑物质加入的化学沉积岩 常 (δce=0 80~0 94) 磁铁石英岩矿石和围岩的稀土元素含量 特斜长角闪岩 REE 总量为 67 10-6 ~84 10-6, 征比值和球粒陨石标准化后分布模式示于表 3 和 w(lree)/w(hree) 在 4 61~4 65 之间,(La/ 图 5 图 6 Yb) N 在 4 56~4 72 之间, 为向右倾斜的轻稀土富磁铁石英岩 REE 总量为 18 10-6 ~30 集型 δeu 在 0 82~0 93 之间, 具轻微铕负异常
74 现代地质 2010 年 表 3 王家庄铁矿床围岩及矿石的稀土元素含量及特征值 (w B /10-6 ) Table3 RareearthelementconcentrationandfeaturevaluesofthewalrocksandoresintheWangjiazhuangiron deposit(10-6 ) 岩石名称样号 La Ce Pr Nd Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu 含石榴石斜长角闪岩 云母石英片岩 磁铁石英岩 ( 矿石 ) YK4-1 14 30 29 70 3 88 16 5 3 69 1 18 4 11 0 62 3 84 0 84 2 43 0 34 2 25 0 33 YK4-13 11 70 23 90 3 31 13 1 2 84 0 82 3 34 0 51 3 02 0 66 1 95 0 28 1 78 0 25 YK4-2 12 20 23 90 2 62 9 74 2 03 0 71 2 37 0 34 2 15 0 45 1 39 0 20 1 36 0 19 YK4-12 30 20 65 10 8 66 35 00 7 74 1 61 10 20 1 66 10 3 2 33 7 00 1 05 6 74 1 06 YK4-3 22 60 78 20 6 80 27 00 6 36 1 52 7 04 1 12 6 86 1 50 4 64 0 68 4 60 0 69 YK4-14 25 50 48 20 5 07 16 50 2 35 0 69 1 96 0 18 0 84 0 14 0 37 0 05 0 32 0 03 YK4-4 3 77 10 40 1 05 4 27 0 99 0 47 1 49 0 25 1 76 0 41 1 31 0 19 1 31 0 19 YK4-5 4 30 8 33 1 21 5 02 1 37 0 76 2 08 0 34 2 23 0 49 1 51 0 22 1 49 0 23 YK4-6 5 00 8 63 1 32 5 11 1 19 0 51 1 71 0 29 1 85 0 43 1 32 0 19 1 28 0 19 YK4-8 4 85 9 51 1 28 4 99 1 06 0 49 1 68 0 26 1 71 0 40 1 32 0 20 1 33 0 20 YK4-9 3 23 5 46 0 77 3 10 0 66 0 28 0 93 0 16 1 09 0 25 0 83 0 12 0 82 0 12 YK4-10 3 89 7 99 1 10 4 53 1 11 0 48 1 57 0 25 1 60 0 37 1 13 0 16 1 08 0 16 岩石名称 样号 REE 总量 w(lree)/w(hree) (La/Yb) N (Eu/Sm) N (La/Lu) N δeu δce 含石榴石斜长角闪岩 YK4-1 84 4 61 4 56 0 85 4 65 0 93 0 98 YK4-13 67 4 65 4 72 0 93 5 08 0 82 0 94 YK4-2 60 5 97 6 44 1 98 6 95 0 99 1 04 YK4-12 189 3 64 3 22 0 61 3 07 0 55 0 98 云母石英片岩 YK4-3 170 5 20 3 53 0 98 3 52 0 70 1 55 YK4-14 102 25 10 57 50 0 67 83 23 0 98 1 04 YK4-4 28 2 96 2 07 0 64 2 09 1 17 1 28 YK4-5 30 2 36 2 07 0 37 2 05 1 37 0 90 磁铁石英岩 YK4-6 29 2 93 2 80 0 62 2 88 1 10 0 82 ( 矿石 ) YK4-8 29 3 05 2 62 2 10 2 64 1 13 0 94 YK4-9 18 3 06 2 84 1 07 2 81 1 10 0 80 YK4-10 25 2 95 2 59 0 90 2 67 1 10 0 90 注 : 样品由核工业北京地质分析测试研究中心采用 ICP-MS 方法分析,2007 图 5 王家庄铁矿床磁铁石英岩稀土元素分布型式图 Fig 5 REEpaternsforthemagnetite quartziteinthe Wangjiazhuangirondeposit δce 在 0 94~0 98 之间, 具轻微铈负异常 REE 总量为 60 10-6 ~189 图 6 王家庄铁矿床围岩稀土元素分布型式图 Fig 6 REEpaternsforthewalrocksintheWangjiazhuang irondeposit 10-6,w(LREE)/w(HREE) 在 3 64~5 97 之间, (La/Yb) N 在 3 22~6 44 之间, 为向右倾斜的轻
第 1 期张岩等 : 山西原平王家庄条带状磁铁石英岩矿床元素地球化学特征及其地质意义 75 稀土富集型 δeu 在 0 55~0 99 之间, 具明显铕负异常 δce 在 0 98~1 04 之间, 基本无铈异常 总体来说, 的特征值参数变化范围较宽, 这主要是由于不同样品中石榴石的含量不同所导致, 在镜下观察到 YK4-12 中含有大量的石榴子石, 但 YK4-2 中仅含极少量的石榴子石 黑云母石英片岩 REE 总量为 102 10-6 ~ 170 10-6, w(lree)/w(hree) 在 5 20~ 25 10 之间,(La/Yb) N 在 3 53~57 50 之间, 为向右倾斜的轻稀土富集型 δeu 在 0 70~0 98 之间, 具轻微铕负异常 δce 在 1 04~1 55 之间, 具轻微铈正异常或无异常 石英片岩的特征值参数变化范围比的更大, 这可能是其原岩岩性不同造成的, 可能有更多陆源碎屑的加入 磁铁石英岩和围岩的微量元素含量及原始地幔标准化不相容元素蛛网图分别示于表 4 和图 7 中, 可以清楚地看到蛛网图明显存在两组趋势, 上部分为变质火山岩, 下部分为磁铁石英岩, 它们大致呈平行关系 除 Se Mo Se Mo Zn Be Pb Bi Cs 等元素在磁铁石英岩和围岩中含量近于相等外, 其余微量元素在近矿围岩中的含量均为磁铁石英岩中含量的几倍到几十倍 V Cr Co Sr Cu Ni U Ba Zr 等微量元素在围岩和磁铁石英岩中含量明显比其他微量元素的含量高 3 讨论 3 1 变质岩原岩恢复根据岩性和岩石化学特征, 本文采用了西蒙南提出的 (al+fm)-(c+alk)-si 图解 [22-23] ( 图 8) 和 w(tio 2 )-w(sio 2 ) [22,24] 图解 ( 图 9) 对变质岩进行原岩恢复 本区各类变质岩的 SiO 2 含量大多在 49% ~67% 之间, 在西蒙南图解上主要位于火 表 4 王家庄铁矿床围岩及矿石的微量元素含量 (w B /10-6 ) Table4 TraceelementconcentrationofthewalrocksandoresintheWangjiazhuangirondeposit(10-6 ) 岩石名称 样品号 Li Be V Cr Co Ni Cu Zn Se Rb Sr Zr Nb Mo 含石榴石斜 YK4-1 13 6 0 7 221 0 142 0 45 4 141 0 896 0 124 0 0 4 33 6 219 0 41 3 8 8 4 2 长角闪岩 YK4-13 20 2 1 4 213 0 137 0 43 4 151 0 72 4 117 0 0 9 17 3 248 0 97 3 7 9 3 4 YK4-2 11 1 0 7 97 6 62 4 19 4 84 3 48 6 75 1 0 2 51 3 208 0 252 0 5 6 3 1 YK4-12 20 3 2 2 19 0 8 6 8 4 21 1 42 0 183 0 2 6 22 6 94 0 618 0 11 7 4 6 云母石英片岩 YK4-3 27 1 1 7 18 9 10 1 9 8 10 0 32 2 66 5 0 6 99 5 167 0 144 0 12 9 4 6 YK4-14 20 7 2 3 44 3 18 7 6 6 11 1 51 9 60 7 0 2 72 3 320 0 300 0 6 7 4 8 YK4-4 2 8 1 4 22 6 8 2 3 2 4 7 20 1 92 3 0 4 3 3 9 5 43 0 1 3 2 9 YK4-5 3 3 2 0 25 3 9 9 4 0 6 3 49 0 59 8 0 5 8 4 13 2 68 2 1 9 4 2 磁铁石英岩 YK4-6 2 6 1 6 25 9 9 6 4 0 9 0 24 7 57 1 0 4 7 0 9 4 80 7 1 7 3 6 YK4-8 2 3 1 5 24 5 8 8 2 8 6 1 18 3 75 3 0 5 4 9 9 2 50 7 1 6 4 5 YK4-9 2 1 1 2 21 1 9 9 3 4 3 9 70 8 91 2 0 3 3 4 11 7 22 6 0 8 9 5 YK4-10 3 0 1 9 32 0 10 5 3 7 6 2 38 3 88 6 0 4 5 8 12 8 40 2 1 7 3 1 岩石名称 样品号 Cs Ba Hf Ta W Ti Pb Bi Th U Y Zr/Nb Y/Nb La/Nb 含石榴石斜 YK4-1 3 5 167 0 1 2 0 5 1 8 0 1 9 3 0 3 1 7 26 6 22 7 4 7 2 6 1 7 长角闪岩 YK4-13 0 7 113 0 2 0 0 4 0 7-8 7 0 2 1 3 1 2 19 2 12 3 2 4 1 5 YK4-2 1 3 257 0 5 6 0 5 0 7 0 1 5 5 0 1 2 9 1 8 12 8 44 9 2 3 2 3 YK4-12 1 6 152 0 11 8 0 7 0 8-8 0 0 1 3 5 1 1 69 8 52 8 6 0 2 7 云母石英片岩 YK4-3 9 4 340 0 3 5 0 8 2 3 0 3 10 0 0 1 4 9 1 3 37 1 11 2 2 9 1 8 YK4-14 1 9 603 0 5 9 0 5 0 8 0 2 12 1 0 1 8 9 1 8 4 4 45 1 0 7 4 0 YK4-4 0 8 26 6 0 9 0 1 1 3-3 9 0 1 1 4 0 6 12 5 32 1 9 3 - YK4-5 2 3 42 9 1 3 0 1 1 2-6 3 0 2 1 3 0 7 14 3 35 5 7 5 - 磁铁石英岩 YK4-6 1 6 41 2 1 5 0 1 1 2-3 7 0 2 0 9 0 5 13 3 46 4 7 6 - YK4-8 1 0 33 5 0 9 0 1 1 0-6 1 0 1 0 6 0 4 13 4 32 7 8 7 - YK4-9 0 6 31 7 0 4 0 0 1 1-2 1 0 1 0 5 0 6 8 4 29 5 11 0 - YK4-10 1 1 29 3 0 8 0 1 0 6-4 3 0 2 0 6 0 4 11 7 24 1 7 0 - 注 : 样品由核工业北京地质分析测试研究中心采用 ICP-MS 方法分析,2007
76 现代地质 2010 年 图 7 王家庄铁矿床围岩和矿石的原始地幔标准化蛛网图 (MORB 标准据文献 [21]) Fig 7 TraceelementMORB normalizedspiderdiagram forthe walrocksandoresinthewangjiazhuangirondeposit 图 9 王家庄铁矿床金岗库组变质岩的 w(tio 2 )- w(sio 2 ) 图解 ( 底图据 Tarney [24],1976) Fig 9 TiO 2 -SiO 2 diagram forthemetamorphicrocksof JingangkuFormationintheWangjiazhuangironde posit 图 8 王家庄铁矿床金岗库组变质岩的 (al+fm)-(c+alk) -Si 图解 ( 底图据 Simenan [23],1953) Fig 8 (al+fm)-(c+alk)-sidiagram forthemetamorphic rocksofjingangku Formation in the Wangjiazhuang irondeposit 山岩区, 大多数 Si 值在 150~250 之间,(al+fm) -(c+alk) 在 13~33 之间, 只有少数落在火山岩区以外 在 w(tio 2 )-w(sio 2 ) 图解上所有样品都落在火山岩区 总体来说, 本区变质岩原岩基本为火山岩, 少量或部分有沉积岩组分的加入 [25] 将各类变质岩样品投在 AFM 图解上 ( 图 10), 角闪质岩石中的斜长角闪岩基本属于拉斑玄武岩系列, 和云母石英片岩基本属于钙碱性火山岩系列 从石咀亚群地层和各组段岩石组合的变化情况来看, 除柏枝岩组外, 其他 3 个组 ( 金岗库组 庄旺组 文溪组 ) 的原岩类型均具有从拉斑玄武岩 钙碱性火山岩 火山沉积岩和沉积岩的旋回性变化, 铁矿的形成则主要与拉斑玄武岩有密切的关系 [7] 金岗库组则表现为一 图 10 王家庄铁矿床金岗库组变质火山岩的 AFM 图解 ( 底图据 Irvine [25],1971) A=w(Na 2 O+K 2 O);F=w(Fe 2 O 3 +FeO);M=w(MgO); TH 拉斑玄武岩系列 ;CA 钙碱性系列 Fig 10 AFM graphforthemetavolcaniteofjingangku FormationintheWangjiazhuangirondeposit 个比较完整的火山 沉积旋回序列 火山岩的化学成分与板块构造关系十分密切, 许多岩石学家在这方面曾进行过大量研究 Rit mann [26] 将世界上 1300 个活火山的熔岩化学成分投影在 lgσ- lgτ 图上, 根据实际的地质构造环境, 把火山岩划分为 A B C3 个区 将金岗库组变质火山岩的化学成分投影到 lgσ- lgτ 图上, 可以看出, 所有样品均落在岛弧及活动大陆边缘带 (B 区 )( 图 11) 综上, 本区金岗库组地层中火山岩是从拉斑玄武岩向钙碱性火山岩演化的, 局部有陆源碎屑
第 1 期张岩等 : 山西原平王家庄条带状磁铁石英岩矿床元素地球化学特征及其地质意义 77 图 11 王家庄铁矿床金岗库组变质火山岩的里特曼 - 戈蒂里图 ( 底图据 Ritmann [26],1973) A 板内稳定区火山岩 ;B 大陆边缘消减带火山岩 ;C A B 区演化的碱性火山岩 Fig 11 lgσ-lgτdiagramforthemetavolcaniteofjingangku FormationintheWangjiazhuangirondeposit 的加入, 推断其原岩具岛弧及活动大陆边缘带的特点 3 2 构造环境讨论五台山地区金岗库组变质火山岩形成时代较早, 后期经历了多期次的构造 热事件和区域变质作用的影响 [5-6], 因此通过选择相对稳定的稀土和微量元素来探讨其形成时的构造环境 稀土元素由于其熔点和沸点很高 化学性质稳定等特点, 在变质作用中基本保持不变, 即使在高级变质作用中, 稀土元素基本上都没有发生迁移, 因而能指示岩石在变质前的成岩环境及成因等特征, 是一种难得的 示踪剂 [27-31] 本区金岗库组变质火山岩的 REE 总量为 84 10-6 ~189 10-6,(La/Yb) N 为 3 22~6 44, 为向右倾斜的轻稀土富集型,(La/Lu) N 为 3 07~6 95, 这些均是岛弧拉斑玄武岩的典型特征 [32] K Rb Ba Th 等大离子亲石元素在磁铁石英岩和变质火山岩中都明显富集, 尤其是在 BIF 中 变质火山岩中,Ta Nb Ti Zr Hf 等高场强元素呈明显的负异常, 高场强元素相对于相邻大离子亲石元素的明显亏损是岛弧火山岩最本质的标志, 尤其是 Ta 和 Nb 等高场强元素相对于相邻的大离子亲石元素 Th 和 Ce 明显亏损 这是因为在本区洋壳俯冲到一定深度时发生脱水作用形成俯冲带流体, 这种流体进入地幔楔使地幔岩石发生部分熔融形成岛弧岩浆, 由于 Ta Nb Ti 等高场强元素在流体中溶解度较低, 当这种流体上 升交代地幔楔时, 角闪石发生沉淀, 流体中 Ta Nb 进入角闪石, 使流体更加亏损 Ta Nb 等元素, 从而造成由此形成的岛弧岩浆贫 Ta Nb Ti 等高场强元素 [33] 部分微量元素的特征比值也可在一定程度上反应其成岩环境, 本区变质火山岩的 w(y)/ w(nb) 为 0 7~6 0,w(Y)/w(Nb) 比值是指示有无地壳物质混染的指标, 比值较大者表明没有地壳物质的混染 ; 而较低者则可能遭受了地壳物质的混染 [34-35] 由于 w(y)/w(nb) 相对较低, 因此本区火山岩遭受了较多的地壳物质混染 另外, Ta Nb Zr Ti 的负异常以及高 K Rb 含量也指示岩浆源区可能受到了地壳物质的混染 [36] Con die [37] 以 w(la)/w(nb) =1 4 为界线, 洋中脊玄武岩 洋岛玄武岩和大洋玄武岩的 w(la)/w(nb) <1 4,w(Ni)>30 10-6, 岛弧玄武岩 w(la)/ w(nb)>1 4, 笔者得出本区变基性火山岩的 w(la)/w(nb) 在 1 5~2 7 之间, 表明该区为典型的岛弧环境 3 3 成矿物质来源分析前寒武纪条带状铁矿的成矿物质来源问题历来是研究此类型铁矿成因问题时讨论的重点之一 五台山地区含铁建造是前寒武纪一个统一的成矿过程, 因此分析其成矿物质来源显得尤为重要 如前所述, 本区磁铁石英岩的 REE 总量为 25 10-6 ~30 10-6, 但磁铁石英岩的稀土总量明显低于其赋存围岩的稀土总量, 稀土配分型式为向右缓倾斜的轻稀土富集型, 具轻微铕正异常和轻微铈负异常, 配分型式与大洋地壳的 REE 配分型式较为相似 太古宙和元古宙沉积的所有 BIF 都呈现显著的 Eu 正异常和 Ce 负异常型式 [38-40], 这些配分型式是由溶液的化学沉淀作用引起, 其中的溶液主要是海水和大洋地壳扩展中心富 Fe 热液的混合物 [39-41] 然而本区 BIF 的 REE 特征明显不同于我国华北地台东北缘的鞍本地区的 BIF 的 REE 特征 [38] (REE 总量为 3 10-6 ~22 10-6, 具轻稀土元素相对亏损 重稀土元素相对富集的分馏模式,Ce 具轻微负异常, 强烈 Eu 正异常,δEu =2 35~6 48) Eu 正异常是高温海底热液的特征,Eu 异常的大小可以代表混合溶液中高温热液的相对贡献量 [40,42], 也就是说, 释放到海水中的高温热液越多,Eu 正异常越明显 因此可以推断本区火山活动相对较弱 (δeu=1 10~1 37), 海底注入到大洋中的高温热液明显变少
78 现代地质 2010 年 [7] 李树勋等得出五台山地区金岗库组围岩和磁铁石英岩中 δ 34 S 值均介于 +1 2 ~-2 4 之间, 具未分异的陨石硫特征, 是来自地幔的信息 [13] 沈保丰等得出金岗库组斜长角闪岩全岩 Sm- Nd 年龄为 (2614±24)Ma, 广泛发育 BIF 热水喷流沉积及块状硫化物矿床, 上述岩矿组合及矿床类型表明本区 ( 绿岩带 ) 形成于海底火山活动的深海 半深海环境 [1-2], 因此可以推断成矿物质主要是同幔源火山活动及其矿物有关的, 成矿物质来源于深部 澳大利亚西部的 Hamersley 和加拿大的 Michipicoten 的 BIF 的 Nd 同位素研究表明铁是来源于太古宙大洋中脊的热液循环 [41] Moris [43] 通过一系列地层和地球化学方面证据证实 Hamers ley 的 BIF 中 Fe 来源于海底热液 以上结果和分析表明 BIF( 包括本矿床 ) 中 Fe 来自大洋地壳, 而后又在洋底经受了气水热液流体的再沉积作用, 这充分表明太古宙的洋壳高温气水热液与 BIF 的大量沉积有密切的关系 由上文图 7 可以看出, 磁铁石英岩和围岩的原始地幔标准化不相容元素蛛网图明显不同, 上部为变质火山岩, 下部为磁铁石英岩, 它们大致呈平行的关系, 相关性较好 说明围岩与 BIF 的同源性,BIF 很可能是由岩浆期后大洋地壳含 Fe 的高温气水热液形成的,BIF 与近矿围岩同属一个沉积盆地, 但是却有不同的沉积过程和形成条件 从 BIF 的围岩组合来看, 它可以产在各种围岩组合中, 不仅五台山地区如此, 整个华北陆台亦是这样, 由此说明 BIF 的物质成分与其围岩类型基本无关 4 结论 通过变质岩的原岩恢复, 本矿床赋存围岩的原岩主要为火山岩, 其中斜长角闪岩属于拉斑玄武岩系列, 和云母石英片岩基本上属于钙碱性火山岩系列 金岗库组火山岩是从拉斑玄武岩向钙碱性火山岩演化的, 局部有陆源碎屑的加入, 推断其原岩具岛弧及活动大陆边缘带的特点 变质火山岩的 REE 特征, 以及高场强元素 Ta Nb Ti Zr Hf 等相对于相邻大离子亲石元素 K Rb Ba Th 等明显亏损, 充分说明变质岩原岩为岛弧火山岩 变质火山岩的 w(la)/w(nb) 为 1 5~2 7, 表明该区大地构造环境为典型的岛弧环境 Ta Nb Zr Ti 的负异常, 高 K Rb 含 量, 较低的 w(y)/w(nb) 比值均表明本区火山岩遭受了较多的地壳物质混染 磁铁石英岩的 REE 特征与世界范围内 BIF 的特征较为一致, 表现为轻微铕正异常和轻微铈负异常, 说明太古宙晚期本区火山活动相对较弱, 海底火山热液对于 BIF 的沉积贡献较少 磁铁石英岩的稀土元素含量及其特征与大洋地壳的特征较为相似, 暗示 BIF 形成于典型的海洋环境, 以上变质火山岩和磁铁石英岩的特征表明大洋向岛弧环境转变经历了洋壳俯冲过程 本区早太古代洋壳俯冲产出的高温气水热液对 BIF 的沉积发挥了重要的作用 磁铁石英岩和围岩的原始地幔标准化不相容 元素蛛网图充分说明围岩与 BIF 的同源性,BIF 很 可能是由岩浆期后富 Fe 的高温气水热液所形成, BIF 与近矿围岩同属一个沉积盆地, 但是却有不同 的沉积过程和形成条件 致谢 : 野外和室内研究工作得到了山西省地 质矿产勘查开发局 214 地质队的大力支持, 成文 过程得到了罗照华教授 王建平副教授 张舒硕 士 李林硕士 曹文融硕士的帮助, 谨此致谢! 参考文献 : [1] 李江海, 牛向龙, 钱祥麟, 等. 五台山区太古宙 / 元古宙界限 划分及其地球演化意义 [J]. 大地构造与成矿学,2006,30 (4):409-418. [2] 李江海, 侯贵廷, 刘守偈. 早期碰撞造山过程与板块构造 : 前寒武纪地质研究的机遇和挑战 [J]. 地球科学进展, 2006,21(8):843-848. [3] 赵祯祥, 杜晋锋, 李营辉, 等. 五台山新太古代碰撞造山带 的形成及构造岩片划分 [J]. 地质调查与研究,2004,27 (1):5-12. [4] 刘志宏, 王安建, 李晓峰. 五台山新太古代碰撞造山带构造演化 [J]. 中国区域地质,1998,17(2):137-146. [5] 白瑾. 五台山早前寒武纪地质 [M]. 天津 : 天津科学技术出版社,1986:342-385. [6] 白瑾, 王汝铮. 五台山早前寒武纪重大事件及其年代 [M]. 北京 : 地质出版社,1992:1-65. [7] 李树勋, 冀树楷, 马志红, 等. 五台山区变质沉积铁矿地质 [M]. 长春 : 吉林科学技术出版社,1986:93-153. [8] 韩仁道. 五台山地区条带状铁建造金矿成矿地质特征的研究 [D]. 太原 : 太原理工大学,2003:4-5. [9] 吴素珍. 五台山地区前寒武纪变质岩石的稀土元素地球化学特征 [J]. 地球化学,1988,17(2):118-128. [10] 吴素珍. 五台山地区前寒武纪花岗岩类的稀土元素地球化学特征 [J]. 地球化学,1991,20(1):87-97. [11] 王汝铮, 颜耀阳, 李慧民, 等. 山西五台山地区早前寒武纪年代构造格架 [J]. 前寒武纪研究进展,1997,20(2):44
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